2021年-K题-LED稳定可调台灯-牛子队 - 嘉立创EDA开源硬件平台

一.前言

这算是自己第一次参加大型赛事，之前报名的一些比赛都很不幸的夭折了，不过这样使得我有很充分的时间来备战电子设计大赛。因为是第一次参加，我们基础不是很好，所以老师指导就很关键，老师的悉心教导是我们得奖的原因之一。暑假期间，我与队友一起在实验室学习单片机技术和一些模电知识，因为比赛延期举行，这就使得我们能有更多的时间去学习、备赛。到了比赛选题的时候，我们选择了K题，选择K题是因为这个题与我们校赛题目有相似之处，而且解题的方法也是简单粗暴——直接上模块。

二.队伍介绍

温XX：也就是我，在队里属于是指挥担当，各种知识都知道一些，但不是很精通，电赛主要是软件调试，设计一些简单模块的原理图。

农XX：我的舍友，队里的作品设计和焊接担当，能把作品做得更美观、更实用。作品的搭建他下了很大的功夫，队里的手工大佬。

谭XX：因志趣相投而相识的队友，作品的构思就少不了他，对模块的选择从没让我们失望过。

三.题目分析

根据题目要求，我们首先想到的是要做两样东西，一样为数字照度表，一样照度稳定可调的LED台灯。既然是做关于光感的题目，自然少不了的就是光照强度传感器了，起初我们想到的是光敏电阻，但是实验的时候数据非常飘，正当我们一筹莫展的时候，学长跟我们说他用过一个非常好用的光照传感器——基于BH1750的光照传感器模块。因为学长之前做有，我们就直接用上他之前做的模块来测试，发现实验结果非常好，随后我们就确立了使用BH1750光照强度传感器。之后的光源控制模块我们采用了我们实验室已有的MV-AP1024-2T光源控制器，这个模块需要用rs232模块实现单片机与光源控制器的通信。因为这个光源控制器需要24V才能正常工作，所以我们就给这个控制器配上了一个升压恒流模块，这样就能使控制器正常工作了。灯板的话我们是选择了与控制器配套的24VLED灯板（本来我们是打算买一个大型的LED灯板来应对光照均匀的问题的，但是买材料的时候出了个大乌龙，本来跟商家说好的30x30cm变成了30x30mm的LED灯板，加上买的都没有配套的灯板工作效率高，所以我们就选择了与控制器配套的LED灯板），至于单片机的选择我们显得随意很多，考虑到学校是用arduino教学单片机的，我们就向老师要了些ATMEGA328核心板来进行做题,这里我得感谢老师和学校的支持，没有他们的支持也就没有作品的呈现了。因为单片机核心板是5V供电使用的，对于只能输出10~15V的题目要求（可控台灯部分），我们就给单片机安排上了一个5V稳压模块，保证单片机不被烧毁。为了实现亮度可调，我们额外设计了按键模块，用于这个系统功能的切换和亮度的加减。最后就是显示屏了，我们选择了我们常用的1602显示屏来减缓编程的压力。框图如下：

四.理论分析与计算

1.电源效率设计

（1）设计要求在灯板 0.5m 高度下的光照强调显示数字能够达到 1000 以上；

（2）台灯供电电压在 12V 时，电源效率（LED 灯板消耗功率与供电电源输出功率之比）不低于 90%。

 

经过计算与查阅资料可得出结论，灯板功率使用 24W 可满足要求。LED 单个灯珠的额定工作电压为 3V，如果用 12V 直接给灯板供电，每个支路只能承载 3-4 颗灯珠。为保证光照度，只能通过多并联支路来实现，这样势必会造成工作电流较大，2A 以上。工作电流大会造成沿程功率损失大，发热量大，对灯珠及电子元件的排布也会造成影响，从而使照度无法保证达到要求。

I=P/U=24/12=2A（式 1）

P=I2*R（式 2）

由公式计算得出 12V 灯板无法达到足够的光照度，工作效率达不到要求。直接采用 12V灯板无法满足设计要求。

台灯的工作效率 

η=P 灯板/ P 电源（式 3）

根据公式可以得出提高台灯的工作效率主要有两个方式：一是提高灯板的工作功率，二是降低驱动模块的功率损耗。

采用了 24V 灯板，在相同工作电流下，电压提高可以使能够承载的灯板功率提高 1 倍。

满足上述方式的第一条。

采用 24V 灯板，相较 12V 灯板，在相同照明功率下电流减小了一半，根据公式（2）可知，

驱动模块的损耗功率可以显著下降，满足上述方式第二条。

综上，本设计采用 24V 灯板，用高效率升压模块将 12V 直流电压提升至 24V，再经过 24V直流驱动模块控制灯板。根据经验 12V 转 24V升压模块效率可以做到 96%，灯板驱动模块效率最大可达 96%，整体效率η可以达到 92%，满足设计要求。

2.数控恒流源设计

MV-AP1024-2T光源控制器，是以MCP19114/5 芯片来实现控制亮度的，该芯片是一个数字增强型电源模拟同步下桥臂 PWM 控制器。当MCP19114/5 的开关频率由单边沿 8MHz 内部时钟产生。通过配置 PR2 寄存器设置 MCP19114/5开关频率。驱动允许的最大占空比可进行调节并由 PWMRL 寄存器控制。开关频率的可编程范围为 31.25kHz~2MHz。低于 2MHz 的可用开关频率定义为 FSW=8MHz/N，其中 N 为整数（4≤N≤256）。PWM 的占空比由输入给 PWMRL 的寄存器确定的，一般采用如下公式来计算：

PWM=PWMRL×TOSC×TPrescalevalue

其中，PWMRL 位可以随时写入，但在 PR2 与 TMR2 之间发生匹配后，占空比会锁存到 PWMRH中。

五.电路设计

1.结构框架

电路总体模块如图所示。本设计的内容是照度稳定可调 LED 台灯和一个数字显示照度表，硬件设计以 ATMEGA328为主要控制芯片，台灯主要包括照度检测电路、控制电路、LED 灯板三部分，控制模块根据采集到的照度值的实时控制 LED 灯板亮度，保证照射区域的照度稳定，形成闭环控制系统。照度表主要包括照度检测电路、LCD1602 液晶显示屏，电源采用移动式可充电电源供电，液晶显示屏实时显示环境的照度值。调光台灯由 LED 灯板和照度检测、调节电路构成。照度表是用于检测台灯的调光水平，所以二者可以采用相同规格的照度检测传感器。

2.按键电路

 

 

按键主要是用做+/-亮度、自动控光模式的切换及一键最大亮度（测效率方便）的作用。连接电路时需注意使用按键对角的连接方式保证按键能发挥作用。

3.照度表LCD1602显示电路

 

 

LCD1602主要用于显示光照强度。R1主要是用来调背光的，这个阻值我选择就大了，因为实验室没有10K的电位器了，所以选择电位器上最好用10K的电位器，不然弄得会很麻烦。

4.模块的选择（含购买链接）

(1)升压模块

我升压模块选择的是实验室现有的400W升压恒流模块，选择这款升压模块是因为它具有高达96%的转换效率，输入的电压可以为DC8.5V~50V，输出电压10~60V可调，完全符合了我们的需求。链接： https://m.tb.cn/h.fjewtoV?sm=394f45

(2)GY-302 BH1750模块

BH1750 一款数字型光强度传感器集成芯片，BH1750 的内部由光敏二极管、运算放大器、ADC 采集、晶振等组成。PD 二极管通过光生伏特效应将输入光信号转换成电信号，经运算放大电路放大后，由 ADC 采集电压，然后通过逻辑电路转换成 16 位二进制数存储在内部的寄存器中。BH1750 引出了时钟线和数据线，单片机通过 I2C 协议可以与 BH1750 模块通讯，可以选择 BH1750 的工作方式，也可以将 BH1750 寄存器的光照度数据提取出来。链接：https://m.tb.cn/h.fRU5bun?sm=a54859 

(3)MV-AP1024-2T光源控制器

详见理论分析。链接：https://m.tb.cn/h.fRUgAsM?sm=8d3a9f

(4)RS232模块

使用RS232模块主要是为了于光源控制器进行通信，使光源控制器识别光照光感器的数据进行调光。链接：https://m.tb.cn/h.fQWypId?sm=aca481

(5)降压模块

考虑到单片机不能承受10~15V的电压，我们给单片机配上了一个降压模块，这样可以使得单片机工作时不会被烧毁。

(6)ATMEGA328核心板

使用 Arduino 是因为 Arduino 是一款便捷灵活、方便上手的开源硬件产品，具有丰富的接口，有数字 I/O 口，模拟 I/O 口，同时支持 SPI,IIC,UART 串口通信。能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。它没有复杂的单片机底层代码，没有难懂的汇编，只是简单而实用的函数，而且具有简便的编程环境 IDE，极大的自由度，可拓展性能高。链接：https://m.tb.cn/h.fQ3ZEvr?sm=7d6d3b

六.PCB设计

1.按键模块PCB

 

 

按键模块的制作算是比较简单的，只需注意按键的电气特性。

2.1602显示部分PCB

 

PS：因为我们是自行制板，就随意了一些。

七.实物展示

此作品能够完成亮度持续可调和自动调节，但是对于功耗来说只能保持在85%左右，发挥一就看台灯摆放。

八.作品装配

九.程序设计

1.程序框架

照度稳定可调的 LED 台灯软件总程序设计，流程图如下所示。

程序功能描述

1） 按键功能：设置 LED 灯的照度值

2） 采集台灯环境照度：控制系统模块实时读取光照度传感器的照度值

3）自动控制调节 LED 灯照度：主要通过 PID 方式控制恒流源，输出电流使得 LED 灯调整亮度，保持环境照度稳定。2.按键模块

本台灯系统中按钮功能模块，主要通过按键+、按键-，调整台灯的照度值增加或减少，实现亮度从最亮到完全熄灭连续可调，部分程序如下所示。

 if (digitalRead(2) == 0)

 {

 key = key + 2;

 delay(50);

 if (key > 255)

 {

 key = 255; 

 }

 sendVision();

 autoComm = 0;

 digitalWrite(13, LOW);

 }

 if (digitalRead(3) == 0)

 {

 key = key - 2;

 delay(50);

 if (key <= 0)

 {

 key = 0;

 }

 sendVision();

 autoComm = 0;

 digitalWrite(13, LOW);

 }

3.采集台灯环境照度模块

本台灯系统中采集台灯环境照度模块，主要负责实时读取台灯的环境照度值，主要程序如下所示。

Wire.beginTransmission(ADDRESS_BH1750FVI); 

 Wire.write(ONE_TIME_H_RESOLUTION_MODE); 

 Wire.endTransmission();

 delay(150);

 Wire.requestFrom(ADDRESS_BH1750FVI, 2); 

 highByte = Wire.read(); 

 lowByte = Wire.read(); 

 sensorOut = (highByte << 8) | lowByte;

 illuminance = sensorOut / 1.2;

4.自动控制调节 LED 灯照度模块

当功能启用时，通过参考光感（最亮时的照度）来调节LED的亮度变化。

if (autoComm == 1)

{

if (illuminance > initlightValue +10)

{

key = key - 5;

if (key < 0)

{

key = 0;

}

sendVision();

}

else

{

key = key + 5;

if (key > 255)

{

key = 255;

}

sendVision();

}

}

PS：源程序文件会在附件中给出

十.总结

对于我们这些只能参加两次的大专生来说，能在第一次比赛拿下国奖是真的谢天谢地了，第二次参加也只能是区赛了。说到我们的作品的话，它是会发脾气的作品，有时候让它去做发挥部分的工作，它就跟我们厥，直接死机，有时候就不会，当时弄得我们挺慌的，好在比赛答辩的时候它心情非常好，给我们一组比平常测得都好的数据，随后听到我们的作品有国二心情直接兴奋到了极致。再次回看电赛，我们也搞出了不少乌龙，杂物堆堆着被我们烧毁的模块，有些模块对于我们初次使用真是不够友好，升压模块初始状态直接是50V输出是我们没有想到的，VCC与GND的“相见”差点把我电脑端口给烧了，莫名其妙的问题一个接着一个，好在都成功的解决了。总的来说，这对于喜欢动手操作的我来说是一次前所未有的体验，和队友在比赛时一起研究代码编写，一起研究模块的选择，一起研究作品的制作...经过电赛4天3夜的比赛，成功治好了我的失眠，如果让我再比的话我一定会在比完之后睡个一整天！

 

视频链接：https://pan.baidu.com/s/1KqpBIxHd_xCXDt_UbFXrag 

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